KR20140031236A - Compact fuel cell - Google Patents

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KR20140031236A
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fuel cell
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KR1020137028196A
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Korean (ko)
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델팡 드로홀트
피에르 니벨롱
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꼼미사리아 아 레네르지 아토미끄 에뜨 옥스 에너지스 앨터네이티브즈
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Abstract

본 발명은 전기화학셀들의 스택(2)과 제1 및 제2 단부판(6.1, 6.2), 스택 외부로 냉각제를 구성하는 탈이온수를 순환시키기 위한 회로(16)에 연결된, 스택(2) 내부에 탈이온수를 순환시키기 위한 회로(14), 셀들에 수소를 공급하기 위한 회로(8)와 셀들에 공기를 공급하기 위한 회로(10), 제1 단부판(6.1)에 장착되어 물이 적어도 부분적으로 충전되어 있는 밀폐공간(V)을 형성하고 그 밀폐공간(V)으로 냉각제의 내부 순환을 위한 내부회로(14)가 이어지는 케이싱(20)을 포함하고, 공기와 수소를 공급하는 회로(8, 10)는 밀폐공간(V)을 통과하고 탈이온수와의 열교환을 위해 탈이온수에 침지되어 있고 공급회로의 일부(10.1)가 밀폐공간(V) 내에 포함된 물을 이용하여 공기를 가습시키는 연료전지에 관한 것이다.The invention relates to a stack of electrochemical cells (2) and first and second end plates (6.1, 6.2), inside the stack (2), connected to a circuit (16) for circulating deionized water constituting a coolant out of the stack. A circuit 14 for circulating deionized water, a circuit 8 for supplying hydrogen to the cells, a circuit 10 for supplying air to the cells, and a first end plate 6.1. And a casing 20, which forms an enclosed space V filled with the condenser and is connected to the enclosed space V, followed by an internal circuit 14 for the internal circulation of the coolant. 10) is a fuel cell that passes through the enclosed space (V) and is immersed in deionized water for heat exchange with the deionized water, and humidifies the air using water contained in the enclosed space (V) in the supply circuit (10.1). It is about.

Description

소형 연료전지{COMPACT FUEL CELL}Small Fuel Cells {COMPACT FUEL CELL}

본 발명은 소형 연료전지에 관한 것이다.The present invention relates to a small fuel cell.

전기를 공급하기 위한 연료전지에는, 연료가스, 예를 들면 양성자 교환막 연료전지(proton exchange membrane fuel cell, PEMFC)의 경우에는 수소, 및 산화 가스, 예를 들면 공기 또는 산소가 공급된다. The fuel cell for supplying electricity is supplied with fuel gas, for example hydrogen in the case of a proton exchange membrane fuel cell (PEMFC), and an oxidizing gas such as air or oxygen.

연료전지는 각각 음극과 양극을 포함하는 전기화학셀들(electrochemical cells)의 스택(stack)으로 이루어진다. 이 셀들은 타이 로드(tie rod)에 의해 연결되는 단부판(end plate)에 의해 서로에 대하여 압축된 상태로 유지된다.The fuel cell consists of a stack of electrochemical cells each containing a cathode and an anode. These cells are kept compressed relative to each other by end plates connected by tie rods.

각 셀에 반응 가스를 공급하기 위해 회로가 설치되어 있다. 이 반응 가스는 온도, 압력 및 습도 조건하에서 연료전지에 제공되어야 한다. 따라서, 연료전지는 산화 가스의 압력, 온도 및 습도를 제어하기 위한 장치 및 연료 가스의 압력 및 온도를 제어하기 위한 장치를 포함한다. 일반적으로, 산화 가스의 수분 함량(moisture content)은 공기-공기식 교환기(air-air type exchanger)에 의해 제어된다. 각 셀에 수소가 주입되기 전에 그 수소를 가열하기 위해 가열장치가 설치되어 있다. Circuits are provided to supply reactive gases to each cell. This reactant gas must be provided to the fuel cell under temperature, pressure and humidity conditions. Accordingly, the fuel cell includes a device for controlling the pressure, temperature and humidity of the oxidizing gas and a device for controlling the pressure and temperature of the fuel gas. In general, the moisture content of the oxidizing gas is controlled by an air-air type exchanger. Before each hydrogen is injected into each cell, a heating device is installed to heat the hydrogen.

한편, 연료전지의 전기화학 효율은 사용되는 물질의 성질 자체 때문에 연료전지 내부의 온도에 의존한다. 따라서, 이러한 온도는 가능한 한 최대의 효율을 얻기 위해서 조정되지 않으면 안 된다. 실제로, 작동 온도이다 너무 낮으면, 연료전지의 최상의 작동 효율을 얻을 수 없고, 연료전지가 너무 높은 온도 상승을 받으면, 연료전지를 구성하는 물질이 손상될 수 있다. 최적인 온도 범위는 65℃∼75℃이다. On the other hand, the electrochemical efficiency of a fuel cell depends on the temperature inside the fuel cell because of the nature of the material used. Therefore, this temperature must be adjusted to obtain the maximum efficiency as possible. In fact, if the operating temperature is too low, the best operating efficiency of the fuel cell cannot be obtained, and if the fuel cell is subjected to a too high temperature rise, the material constituting the fuel cell may be damaged. The optimum temperature range is 65 ° C to 75 ° C.

앞서 설명한 바와 같이, 연료전지는 그 작동 중에 열을 발생시킨다. 이 열은 연료전지 내의 온도 상승을 제한하기 위해 일반적으로 제거되어야 한다. 이 목적을 위해, 각 셀 내부에 냉각제 유동(flow of coolant)이 일반적으로 형성되어 있고, 냉각제 유량 및 온도이다 제어된다.As described above, the fuel cell generates heat during its operation. This heat should generally be removed to limit the temperature rise in the fuel cell. For this purpose, a flow of coolant is generally formed inside each cell and controlled at coolant flow rate and temperature.

또한, 냉각제는 연료전지 내로 유동함으로써, 양극판(bipolar plate)과 직접 접촉하게 되고, 다음으로 냉각제의 전기전도도(electrical conductivity)가 연료전지의 전기 효율성을 유지하기 위해 일정한 임계값(threshold)보다 낮게 되도록 조정된다. 이를 위해, 냉각제의 전기전도도는 충분히 낮은 값으로 제한된다. 예를 들면, 냉각제로서는 탈이온수가 사용된다. 그 전기전도도를 제한하기 위해서는, 탈이온수를 재생하기 위한 수지가 냉각회로에 제공된다. 유의해야 할 점은, 재생 수지의 최대 작동 온도이다 50℃ 정도라는 것이다.In addition, the coolant flows into the fuel cell so that it is in direct contact with the bipolar plate, and then the electrical conductivity of the coolant is lower than a certain threshold to maintain the electrical efficiency of the fuel cell. Adjusted. For this purpose, the electrical conductivity of the coolant is limited to a sufficiently low value. For example, deionized water is used as the coolant. In order to limit its electrical conductivity, a resin for regenerating deionized water is provided in the cooling circuit. It should be noted that the maximum operating temperature of the recycled resin is about 50 ° C.

이러한 별개의 구성요소는 셀 스택 주변에 설치되어 수개의 도관과 밸브에 의해 상호 셀 스택에 연결된다. 그래서, 연료전지의 전체 공간은 매우 크다.These separate components are installed around the cell stack and connected to the mutual cell stack by several conduits and valves. Thus, the overall space of the fuel cell is very large.

그러나, 이러한 타입의 연료전지는 특히 구동 전원으로서 차량에 탑재되는 것으로 의도하고 있다는 점을 상기하여야 한다. 따라서, 그 전체 공간은 중요하다.However, it should be recalled that this type of fuel cell is particularly intended to be mounted on a vehicle as a driving power source. Therefore, the total space is important.

따라서, 본 발명의 목적은 최근 기술의 조립체와 비교하여 전체 공간이 줄어든, 유체관리시스템이 장착된 연료전지를 제공하는 데 있다.It is therefore an object of the present invention to provide a fuel cell equipped with a fluid management system in which the overall space is reduced compared to assemblies of the state of the art.

상기한 목적은 서로 견고하게 연결된 2개의 단부판들 사이에 설치되는 셀들의 스택을 포함하고 가습장치와 가열장치가 내장되어 있는 단부판들 중 하나에 고정된 케이싱(casing)을 포함하고, 상기 케이싱이 셀들의 출구에서 냉각회로에 직접 연결되어 있고, 가습장치와 가열장치가 냉각제 중에 침지되어 있으며, 가습장치가 물-공기 가습기이고 가열장치가 연료전지로부터 냉각제에 의해 제거되는 열을 이용하는, 연료전지에 의해 달성된다.The above object comprises a casing secured to one of the end plates incorporating a humidifier and a heating device, comprising a stack of cells installed between two end plates rigidly connected to each other, the casing At the outlet of these cells is connected directly to the cooling circuit, the humidifier and heater are immersed in the coolant, the humidifier is a water-air humidifier and the heater uses heat removed by the coolant from the fuel cell. Is achieved by.

즉, 반응 가스를 가습하고 가열하기 위한 장치로서 사용되는 냉각제는 셀 스택을 통과한 후에 냉각회로에 위치하는 단부판들 중 하나의 단부판 위에 직접 설치된 탱크에 충전된다. 별도의 장치의 수와, 이에 따른 그 연결 관계와 길이는 감소된다. 따라서, 전체 공간은 줄어들게 된다.That is, the coolant used as a device for humidifying and heating the reaction gas is filled in a tank installed directly on one end plate of the end plates located in the cooling circuit after passing through the cell stack. The number of separate devices and thus their connection relationships and lengths are reduced. Thus, the total space is reduced.

유리하게는, 이온교환장치는 케이싱에 가능한 한 근접하게 단부판 위에 또한 설치되어 그 케이싱과 연결됨으로써 셀들로부터 유출되는 냉각제를 탈이온화시킨다.Advantageously, the ion exchanger is also installed on the end plate as close as possible to the casing and connected with the casing to deionize the coolant flowing out of the cells.

예를 들면, 이온교환장치는 이온교환수지에 의해 형성된다. 유리하게는, 서모스태틱 밸브(thermostatic valve)는, 냉각제 온도이다 임계 온도(threshold temperature)보다 낮은 경우에만 이온교환장치로의 유동을 허용하기 위해 케이싱과 이온교환장치 사이에 설치된다.For example, the ion exchange device is formed of an ion exchange resin. Advantageously, a thermostatic valve is installed between the casing and the ion exchanger to allow flow to the ion exchanger only if the coolant temperature is below the threshold temperature.

따라서, 본 발명의 요지는, 전기화학셀들의 스택과 전기화학셀들에 압축 스트레인(tightening strain)을 가하는 제1 및 제2 단부판, 스택 내부로 냉각제를 유동시키기 위한 회로와 스택 외부로 냉각제를 유동시키기 위한 회로에 의해 형성되는 열관리시스템, 셀들에 연료 가스를 공급하기 위한 회로와 셀들에 산화 가스를 공급하기 위한 회로, 셀들에 연료 가스와 산화 가스를 주입하기 전에 연료 가스와 산화 가스를 가열하기 위한 수단 및 셀들에 산화 가스를 주입하기 전에 산화 가스를 가습하기 위한 수단을 포함하는 연료전지를 대상으로 하고 있고, 이 연료전지는 제1 단부판에 장착되고, 셀 스택으로 냉각제를 유동시키기 위한 내부회로의 하류에 밀폐 공간(tight volume)을 형성하고, 냉각제가 냉각제를 유동시키기 위한 내부회로가 밀폐 공간(V)으로 이어져 있는, 소위 메인 케이싱을 포함하고, 상기 공간은 스택 바깥으로 유동되는 냉각제가 적어도 부분적으로 충전되도록 구성되고, 산화 가스와 연료 가스를 공급하기 위한 회로는 밀폐 공간을 통과하여 열을 냉각제와 교환하기 위해 냉각제에 침지되도록 구성되고, 냉각제에 침지되도록 구성된 산화 가스를 공급하기 위한 회로의 적어도 일부는 산화 가스를 가습하기 위해 냉각제 중에 포함된 물이 산화 가스를 공급하기 위한 회로의 외부로부터 상기 회로의 내부로 이동되게 할 수 있다.Accordingly, the gist of the present invention is to provide a stack of electrochemical cells and first and second end plates that exert a tightening strain on the electrochemical cells, circuitry for flowing coolant into the stack and coolant out of the stack. A thermal management system formed by a circuit for flowing, a circuit for supplying fuel gas to the cells and a circuit for supplying oxidizing gas to the cells, heating the fuel gas and the oxidizing gas before injecting the fuel gas and the oxidizing gas into the cells And a means for humidifying the oxidizing gas prior to injecting the oxidizing gas into the cells, the fuel cell being mounted to a first end plate and having an internal for flowing coolant into the cell stack. A tight volume is formed downstream of the circuit, and an internal circuit for the coolant to flow the coolant leads to the closed space (V). Includes a so-called main casing, wherein the space is configured to at least partially fill the coolant flowing out of the stack, and a circuit for supplying oxidizing gas and fuel gas passes through the enclosed space to exchange heat with the coolant. At least a portion of the circuit for supplying the oxidizing gas configured to be immersed in the coolant and configured to be immersed in the coolant is formed from the outside of the circuit for supplying the oxidizing gas to water contained in the coolant to humidify the oxidizing gas. Can be moved.

바람직하게는, 산화 가스를 공급하기 위한 회로는 물이 통과될 수 있도록 양성자 전도성 이오노머(proton conductor ionomer) 부분, 예를 들면 Nafion®를 포함한다.Preferably, the circuit for supplying the oxidizing gas comprises a portion of a proton conductor ionomer, for example Nafion ®, to allow water to pass through.

유리하게는, 냉각제에 침지되도록 구성된 연료 가스를 공급하기 위한 회로의 적어도 일부는 뛰어난 열전도도를 발휘하는 재료, 예를 들면 스테인레스강으로 이루어져 있다.Advantageously, at least part of the circuit for supplying the fuel gas configured to be immersed in the coolant consists of a material exhibiting excellent thermal conductivity, for example stainless steel.

연료 가스를 공급하기 위한 회로는 물이 통과될 수 있도록 양성자 전도성 이오노머 부분, 예를 들면 Nafion®를 포함한다.The circuit for supplying fuel gas comprises a proton conductive ionomer portion, for example Nafion ® , to allow water to pass through.

바람직하게는, 냉각제에 침지되도록 구성된 연료 가스와 산화 가스를 공급하기 위한 회로의 일부는 냉각제와의 교환을 향상시키기 위해 병렬로 연결된 튜브 다발(tube bundle)을 포함한다.Preferably, the portion of the circuit for supplying the fuel gas and the oxidizing gas configured to be immersed in the coolant includes a tube bundle connected in parallel to improve exchange with the coolant.

밀폐 공간은 확장 용기(expansion vessel)를 제공하기 위해 부분적으로 충전될 수 있다.The confined space may be partially filled to provide an expansion vessel.

연료전지는 바람직하게는, 냉각제의 전기전도도를 감소시키기 위한 수단을 포함한다.The fuel cell preferably comprises means for reducing the electrical conductivity of the coolant.

밀폐 공간은 부분적으로 팽창 탱크를 제공하기 위해 충전될 수 있다. The confined space may be partially filled to provide an expansion tank.

연료전지는 바람직하게는, 냉각제의 전기전도도를 감소시키기 위한 수단을 포함한다. The fuel cell preferably comprises means for reducing the electrical conductivity of the coolant.

따라서, 연료전지는 메인 케이싱의 부근에서 상기 제1 단부판에 장착되는 추가 케이싱을 포함하고, 전기전도도를 감소시키기 위한 수단이 구비되어 있고, 전기전도도를 감소시키기 위한 수단은 냉각제가 전기전도도를 감소시키기 위한 수단으로 유동되게 할 수 있도록 내부 공간에 연결되어 있다.Therefore, the fuel cell includes an additional casing mounted to the first end plate in the vicinity of the main casing, and is provided with means for reducing the electrical conductivity, and means for reducing the electrical conductivity, wherein the coolant reduces the electrical conductivity. It is connected to the interior space so as to be able to flow as a means to make it.

예를 들면, 전기전도도를 감소시키기 위한 수단은 수지를 재생함으로써 형성되고, 다음으로 연료전지는 냉각제 온도에 따라 메인 케이싱과 재생 수지 사이에서의 냉각제의 유동을 제어하는 밸브를 포함하며, 이 밸브는 약 50℃보다 높은 온도인 경우의 연통(communication)을 차단한다. 이 밸브는 유리하게는 서모스태틱 밸브이다.For example, the means for reducing electrical conductivity is formed by regenerating the resin, and the fuel cell then includes a valve that controls the flow of the coolant between the main casing and the regenerated resin in accordance with the coolant temperature, which valve Blocks communication at temperatures above about 50 ° C. This valve is advantageously a thermostatic valve.

연료전지는 또한 유리하게는, 예를 들면 전기저항기(electrical resistor)에 의해 형성되어, 메인 케이싱에 제공되는 냉각제를 가열하기 위한 수단을 포함한다.The fuel cell also advantageously comprises means for heating the coolant, for example formed by an electrical resistor, which is provided to the main casing.

외부회로는 열교환기가 구비된 제1 서브회로(sub-circuit) 및 내부회로의 입구에 직접 연결되는 제2 서브회로, 내부회로의 출구에서 상기 냉각제의 온도에 따라 제1 및 제2 서브회로 중 어느 한쪽 또는 양쪽에서의 냉각제의 유동을 제어하기 위한 장치를 포함한다.The external circuit includes a first sub-circuit having a heat exchanger and a second sub circuit directly connected to an inlet of the internal circuit, and any one of the first and second sub circuits depending on the temperature of the coolant at the outlet of the internal circuit. A device for controlling the flow of coolant on one or both sides.

바람직하게는, 제어장치는 3방 서모스태틱 밸브(three way thermostatic valve)이다.Preferably, the control device is a three way thermostatic valve.

유리하게는, 제어장치는, 추가 케이싱이 제2 서브회로의 일부를 이루도록 메인 케이싱과 추가 케이싱 사이에 일체화되어 있다.Advantageously, the control device is integrated between the main casing and the further casing so that the additional casing forms part of the second subcircuit.

그 밖에, 매우 유리한 실시형태에서는, 연료전지는 냉각제용의 2개의 출구만을 포함하고, 그 하나의 출구는 제1 서브회로를 향하여 메인 케이싱의 벽에 형성되어 있고, 다른 하나의 출구는 제2 서브회로를 향하여 추가 케이싱의 벽에 형성되어 있다.In addition, in a very advantageous embodiment, the fuel cell comprises only two outlets for the coolant, one outlet formed in the wall of the main casing towards the first subcircuit and the other outlet being the second sub It is formed on the wall of the additional casing towards the circuit.

메인 케이싱은 냉각제의 온도를 측정하기 위한 수단 및/또는 냉각제의 전기전도도를 측정하기 위한 수단 및/또는 밀폐 공간의 냉각제 충전 레벨(filling level)을 조정하기 위한 수단을 포함할 수 있다.The main casing may comprise means for measuring the temperature of the coolant and / or means for measuring the electrical conductivity of the coolant and / or means for adjusting the coolant filling level of the enclosed space.

메인 케이싱은 예를 들면 상부 영역에, 캡(cap)에 의해 밀봉되는 충전포트(filling port), 유리하게는 벤트(vent) 및/또는 압력 릴리프 밸브(pressure relief valve)를 포함할 수 있다.The main casing may for example comprise a filling port, advantageously a vent and / or a pressure relief valve, which is sealed by a cap in the upper region.

셀들에 대한 연료 가스 공급 및 산화 가스 공급은 예를 들면, 제1 단부판의 측면(side face)과 연료 가스 공급회로 및 산화 가스 공급회로 사이의 파이프들에 의해 제1 단부판을 통하여 이루어진다.The fuel gas supply and the oxidizing gas supply to the cells are made through the first end plate, for example, by pipes between the side face of the first end plate and the fuel gas supply circuit and the oxidizing gas supply circuit.

냉각제는 유리하게는 탈이온수이다.The coolant is advantageously deionized water.

연료전지는 예를 들면, 양성자 교환막 형태로 이루어져 있고, 연료 가스는 수소이며 산화 가스는 산소이다.The fuel cell is, for example, in the form of a proton exchange membrane, where the fuel gas is hydrogen and the oxidizing gas is oxygen.

도 1A는 본 발명에 따른 연료전지의 일 실시형태의 개략도이다.
도 1B는 도 1A의 A-A면을 따른 단면도이다.
도 2는 본 발명에 따른 연료전지의 일 실시형태의 사시도이다.
도 3은 도 2의 세부 확대도이다.
도 4는 도 3의 연료전지의 반측면의 사시도이다.
도 5는 도 2의 연료전지의 평면도이다.1A is a schematic diagram of one embodiment of a fuel cell according to the present invention.
1B is a cross-sectional view along the AA plane of FIG. 1A.
2 is a perspective view of one embodiment of a fuel cell according to the present invention.
3 is a detailed enlarged view of FIG. 2.
4 is a perspective view of a half side of the fuel cell of FIG. 3.
5 is a plan view of the fuel cell of FIG. 2.

본 발명은 다음의 설명과 첨부한 도면에 의해 더 잘 이해될 것이다.The invention will be better understood from the following description and the accompanying drawings.

도 1A에서, 본 발명에 따른 연료전지의 실시형태의 개략도를 볼 수 있다.In FIG. 1A, a schematic diagram of an embodiment of a fuel cell according to the present invention can be seen.

이하의 설명에서는, 양성자 교환막 연료전지 또는 폴리머 교환막 연료전지(PEMFC)에 대하여 특별히 설명하고 있다. 그렇기 때문에, 연료 가스는 수소이고 산화 가스는 공기 또는 산소이다. 그러나, 이러한 설명은 한정적인 것이 아니며 본 발명은 연료전지의 어떠한 타입에도 적용 가능하다. In the following description, a proton exchange membrane fuel cell or a polymer exchange membrane fuel cell (PEMFC) is described in particular. As such, the fuel gas is hydrogen and the oxidizing gas is air or oxygen. However, this description is not limiting and the present invention is applicable to any type of fuel cell.

연료전지는 양극판(bipolar plate) 및 교대로 설치되는 이온교환막으로 이루어지는 전기화학셀(4)들의 스택(2), 그리고 그 스택의 어느 한쪽에 배치된 2개의 단부판(end plate)(6.1, 6.2)을 포함한다. 단부판(6.1, 6.2)은 타이 로드(7)에 의해 연결되고 셀들을 구성하는 구성부재의 표면을 통하여 전기전도도를 균일하게 분포시키는 것을 보장하기 위해 스택(2)에 압축 스트레인(compressive strain)을 가한다.The fuel cell includes a stack of electrochemical cells 4 consisting of a bipolar plate and alternating ion exchange membranes, and two end plates disposed on either side of the stack (6.1, 6.2). ). The end plates 6. 1, 6. 2 are connected by tie rods 7 and are subjected to compressive strain in the stack 2 to ensure uniform distribution of electrical conductivity through the surface of the constituent elements constituting the cells. Add.

연료전지는 셀들에 수소를 공급하기 위한 회로 및 셀들에 공기 또는 산소를 공급하기 위한 회로를 포함한다. 간략화를 위해, 공기만이 산화 가스로서 설명될 것이다. The fuel cell includes a circuit for supplying hydrogen to cells and a circuit for supplying air or oxygen to the cells. For simplicity, only air will be described as oxidizing gas.

공급회로(8, 10)는 상기한 가스들을 공급하기 위해 셀들을 직접 통과한다.The supply circuits 8, 10 pass directly through the cells to supply the gases described above.

연료전지는 또한, 셀들과의 열 교환을 위해 스택 내부로 냉각제를 유동시키기 위한 회로(14) 및 스택 외부에 설치된 유동회로(flow circuit)(16)에 의해 형성되는 열관리시스템(12)을 포함한다. 사용되는 냉각제는 탈이온수일 수 있다.The fuel cell also includes a thermal management system 12 formed by a circuit 14 for flowing coolant into the stack for heat exchange with the cells and a flow circuit 16 installed outside the stack. . The coolant used may be deionized water.

외부 유동회로(16)는 2개의 서브회로(16.1, 16.2)를 포함하고, 하나의 서브회로(16.1)는 냉각제를 내부회로(14)를 거쳐 스택에 재주입하기 전, 스택 통과시 에 축적된 열을 추출하기 위한 것이고 그 목적을 이루기 위해 열교환기가 구비되어 있으며, 다른 서브회로(16.2)는 스택으로 유동되는 냉각제를 내부 유동회로(14)에 직접 재주입하기 위한 것이다. 어느 한쪽의 서브회로(16.1, 16.2)로의 유동을 선택하기 위한 수단(18)은 상류측에 설치되어 있고, 스택의 출구에서 냉각제 온도에 따라 어느 한쪽의 서브회로로의 냉각제 유동을 결정하는 3방 서모스태틱 밸브인 것이 유리하다. 유동 펌프(도시하지 않음)는 스택으로의 냉각제 유동을 보장하기 위해 외부회로(16)에 설치되어 있다. The external flow circuit 16 includes two subcircuits 16.1 and 16.2, and one subcircuit 16.1 accumulates during the stack pass before reinjecting the coolant through the internal circuit 14 into the stack. A heat exchanger is provided for extracting heat and for this purpose another subcircuit 16.2 is for direct reinjection of the coolant flowing into the stack into the internal flow circuit 14. Means 18 for selecting the flow to either of the subcircuits 16.1 and 16.2 are provided upstream, and determine the coolant flow to one of the subcircuits according to the coolant temperature at the outlet of the stack. It is advantageous to be a thermostatic valve. Flow pumps (not shown) are installed in the external circuit 16 to ensure coolant flow to the stack.

연료전지는 단부판들 중 하나의 단부판(6.1)에 장착되어, 열교환회로의 내부회로(14)의 하류측 끝에 있는 밀폐공간(V)과 경계를 이루는, 소위 메인 케이싱(20)을 포함한다. 이 케이싱(20)에는, 정상 작동시에 냉각제가 적어도 부분적으로 충전되어 있다.The fuel cell comprises a so-called main casing 20, which is mounted on one end plate 6.1 of the end plates and borders a closed space V at the downstream end of the internal circuit 14 of the heat exchange circuit. . This casing 20 is at least partially filled with a coolant in normal operation.

내부회로(14)와 외부회로(16) 사이의 연결은 메인 케이싱(20)의 벽들 중 하나를 통해 이루어지고, 다음으로 3방 서모스태틱 밸브(18)가 벽에 장착된다.The connection between the internal circuit 14 and the external circuit 16 is made through one of the walls of the main casing 20, and then the three-way thermostatic valve 18 is mounted on the wall.

수소를 공급하기 위한 회로(9)는 냉각제에 침지되도록 밀폐공간(V)을 통과한다. 케이싱에 위치된 공급회로(8)의 일부(8.1)는 냉각제 유동 방향으로 스택의 상류측에 위치되어, 수소를 셀들에 주입하기 전에 수소를 가열하기 위하여 냉각제와 수소 사이의 열교환이 용이해지도록 하는 것이다. 바람직하게는, 이 일부(8.1)는 도 2 또는 도 5에서 볼 수 있는 바와 같이, 병렬로 연결된 튜브 다발에 의해 형성된다. 바람직하게는, 튜브는 뛰어난 열전도도를 갖는 재료, 예를 들면 스테인레스강, 예를 들면 제조비용이 저감되고 바로 적용가능한 316L 스테인레스강으로 형성된다.The circuit 9 for supplying hydrogen passes through the closed space V to be immersed in the coolant. A part 8. 1 of the supply circuit 8 located in the casing is located upstream of the stack in the coolant flow direction to facilitate heat exchange between the coolant and the hydrogen to heat the hydrogen before injecting the hydrogen into the cells. will be. Preferably, this portion 8.1 is formed by tube bundles connected in parallel, as can be seen in FIG. 2 or FIG. 5. Preferably, the tube is formed of a material having excellent thermal conductivity, such as stainless steel, for example 316L stainless steel, which is readily available with reduced manufacturing costs.

또는, 수소의 가습, 더 일반적으로는 연료 가스의 가습을 실시할 경우에는, 상기한 튜브를, 물이 튜브 내부를 통과되게 할 수 있는 재료, 예를 들면 양성자 전도성 이오노머, 예를 들면 Nafion®으로 제조하는 것을 생각할 수 있다. 다발 중 일부 튜브는 스테인레스강으로 이루어져 있고 다른 튜브는 Nafion®으로 이루어져 있다. 또는, 예를 들면 술폰화된 폴리(스티렌-코-부타디엔) 사슬을 갖는 폴리머의 튜브가 사용될 수 있다.Alternatively, when humidifying hydrogen, more generally fuel gas, the tube may be treated with a material that allows water to pass through the tube, for example a proton conductive ionomer such as Nafion ® . I can think of manufacturing. Some tubes in the bundle are made of stainless steel and others are made of Nafion ® . Alternatively, tubes of polymers with, for example, sulfonated poly (styrene-co-butadiene) chains can be used.

또한, 공기를 공급하기 위한 회로(10)는 냉각제에 침지되도록 밀폐공간(V)을 통과한다. 케이싱에 위치된 공급회로(10)의 일부(10.1)는 스택의 상류측에 있고 공기를 셀에 주입하기 전에 냉각제로부터 공기 가열과 공기 가습 양쪽을 보장하도록 하는 것이다. 예를 들면, 회로의 일부(10.1)는 또한 양성자 전도성 이오노머, 즉 Nafion® 타입으로 이루어져 있다. 유리하게는, 이 일부(10.1)는 또한 교환 영역을 증대시키는 튜브 다발에 의해 형성된다. 수분 성분은, 물이 튜브 외부로부터 공기가 유동하는 내부로 이동되는 것을 보장한다. 그래서, 이동된 증기는 공기를 가습시키도록 할 수 있다.In addition, the circuit 10 for supplying air passes through the closed space V to be immersed in the coolant. A portion 10. 1 of the supply circuit 10 located in the casing is upstream of the stack and ensures both air heating and air humidification from the coolant before air is injected into the cell. For example, part 10.1 of the circuit also consists of a proton conducting ionomer, ie Nafion ® type. Advantageously, this portion 10.1 is also formed by a tube bundle that augments the exchange area. The moisture component ensures that the water is moved from the outside of the tube to the inside where air flows. Thus, the moved steam can cause the air to humidify.

공기 가습과 동시에, 온도의 상승이 일어난다.Simultaneously with air humidification, an increase in temperature occurs.

유리하게는, 케이싱의 공간(V)은 그 공간(V)에 냉각제를 일부분 충전하는 것만으로 확장용기(22)를 형성한다. 이는 도 1a에서 냉각제가 없는 공간 좌측의 부분에 의해 개략적으로 나타내져 있다. Advantageously, the space V of the casing forms the expansion vessel 22 by only partially filling the space V with the coolant. This is schematically illustrated by the part on the left side of the space without coolant in FIG. 1A.

케이싱의 상부 부분에서는, 케이싱은 또한 캡에 의해 밀봉될 수 있는 열교환회로를 채우기 위한 포트(24)를 포함한다.In the upper part of the casing, the casing also includes a port 24 for filling the heat exchange circuit which can be sealed by the cap.

또한, 냉각 액체와 연료전지의 양극판들 사이의 교환 영역을 최적화하기 위해, 채움(filling) 시에 회로로부터 공기로 가장 잘 세정할 수 있는, 열교환회로의 밀봉 벤트(sealable vent)가 마련될 수 있다. 안전수단(28)은 예를 들면 밸브에 의해 형성되어 열교환회로 내의 압력의 상승이 있는 경우에 대비하여 설치될 수 있다. 이 밸브는 충전 포트(filling port)의 캡에 형성되는 것을 생각할 수 있다.In addition, in order to optimize the exchange area between the cooling liquid and the positive plates of the fuel cell, a sealable vent of the heat exchange circuit can be provided which can best clean the air from the circuit during filling. . The safety means 28 may be formed by, for example, a valve and be installed in case there is an increase in pressure in the heat exchange circuit. It is conceivable that this valve is formed in the cap of the filling port.

유리하게는, 셀들에 주입된 수소의 양은 전해반응 수율을 증가시키는 데 필요로 하는 것보다도 많다. 회로(8)의 출구에서의 소모되지 않은 수소는 회로에 재주입된다. 따라서, 연료전지는 스택에 수로를 재주입하기 위한 회로(29)를 포함하는 것이 유리하고, 이 회로(29)는 예를 들면, 수소를 공급하기 위한 회로의 일부(8.1)의 출구에서 회로(8)에 연결된다. 실제로, 재주입된 수소는 연료전지로부터 유출되므로, 수소를 가온(warming)시킬 필요가 없고 직접 수소를 재주입할 수 있다. 그러나, 수소를 공급하기 위한 회로의 일부(8.1) 상류측에 재주입 회로를 연결하는 것을 생각할 수 있다.Advantageously, the amount of hydrogen injected into the cells is more than necessary to increase the electrolysis yield. Unconsumed hydrogen at the outlet of the circuit 8 is reinjected into the circuit. Thus, the fuel cell advantageously comprises a circuit 29 for reinjecting the channel into the stack, which circuit 29 is for example at the outlet of part 8.1 of the circuit for supplying hydrogen. 8) is connected. Indeed, the reinjected hydrogen flows out of the fuel cell, so there is no need to warm the hydrogen and can directly reinject hydrogen. However, it is conceivable to connect the reinjection circuit upstream of a part (8.1) of the circuit for supplying hydrogen.

예시한 실시예들에 있어서, 메인 케이싱(20)은 재주입 회로(29)를 공급회로(8)에 연결하도록 재순환 탭(recirculation tap)(29.1)을 포함한다.In the illustrated embodiments, the main casing 20 includes a recirculation tap 29.1 to connect the reinjection circuit 29 to the supply circuit 8.

유리하게는, 냉각 및 보온 수단(cold warming means)(31)은, 냉각제가 셀들에 의해 방출된 열에 의해 가온되지 않는 한, 연료전지 작동 시작시에 냉각제와 동시에 수소 및 공기를 가온시키기 위해 케이싱 내에 설치된다. 이 냉각 및 보온 수단은 예를 들면, 냉각제에 침지된 저항형(resistor type) 전기수단 또는 열교환회로를 갖는 다른 유체 수단이다. 예를 들면, 냉각 및 보온 수단(31)은 5℃보다 낮은 온도의 경우에 작동된다.Advantageously, cooling and cold warming means 31 are provided in the casing to warm hydrogen and air simultaneously with the coolant at the start of the fuel cell operation, unless the coolant is warmed by the heat released by the cells. Is installed. These cooling and warming means are, for example, resistor type electrical means immersed in a coolant or other fluid means having a heat exchange circuit. For example, the cooling and warming means 31 are operated at a temperature lower than 5 ° C.

바람직하게는, 연료전지는 연료전지 작동을 조정하기 위한 수단을 포함한다. 이 수단은 예를 들면, 누설을 검출하고 연료전지의 과열을 회피하기 위해 케이싱 내의 냉각제 온도를 측정하는 수단, 케이싱 내의 냉각제 레벨을 조정하는 수단이다.Preferably, the fuel cell includes means for adjusting fuel cell operation. This means is for example means for measuring the coolant temperature in the casing and means for adjusting the coolant level in the casing to detect leakage and avoid overheating of the fuel cell.

또한, 냉각제가 양극판과 직접 접촉하고 있으므로, 바람직하게는, 일정한 임계값을 초과하지 않도록 하여 연료전지의 전기 효율을 보존하기 위해서 그 전기전도도를 조정한다. 이 경우에, 연료전지는 에를 들면, 케이싱 내에 설치되어 냉각제의 전기전도도를 측정하기 위한 수단(34) 및 재생장치라고도 불리우는 이온교환장치(36)에 의해 형성되는 것이 필요한 경우, 이 전도도를 감소시키기 위한 수단을 포함한다.In addition, since the coolant is in direct contact with the positive electrode plate, the electrical conductivity is preferably adjusted so as not to exceed a certain threshold value and to preserve the electrical efficiency of the fuel cell. In this case, if the fuel cell needs to be formed by means of an ion exchange device 36, also referred to as a regenerating device and means 34 for measuring the electrical conductivity of the coolant, for example, installed in the casing, reducing this conductivity. Means for;

재생장치(36)는 도 1b에 개략적으로 도시되어 있다. 이 재생장치는 메인 케이싱에 대해 횡방향(sideway)으로 설치되어 있다.The playback device 36 is schematically shown in FIG. 1B. This regeneration device is provided laterally with respect to the main casing.

예시한 실시예에 있어서는, 유리하게는, 이 장치(36)는 메인 케이싱(20)에 인접하여 설치된 추가 케이싱(38) 내에 수용되고 파이프에 의존하는 것을 회피하기 위해 인접 벽들을 통해 직접 메인 케이싱(20)에 연결되어 있다.In the illustrated embodiment, the device 36 is advantageously housed in an additional casing 38 installed adjacent to the main casing 20 and directly connected to the main casing through adjacent walls to avoid relying on pipes. 20).

추가 케이싱(38)은 냉각제가 재생된 후에 냉각제를 회로에 재주입하기 위해 열관리시스템에 연결되어 있다.An additional casing 38 is connected to the thermal management system for reinjecting the coolant into the circuit after the coolant is regenerated.

바람직하게는, 연료전지의 각각의 시동시에, 냉각제 액체는, 액체 온도가 50℃보다 낮기만 하면 자동으로 재생된다.Preferably, at each start-up of the fuel cell, the coolant liquid is automatically regenerated as long as the liquid temperature is lower than 50 ° C.

액체 전기전도도의 측정은 연료전지를 스위치 오프(switch off)하는 것을 알리거나 연료전지의 악화된 성능을 알리기 위한 세이프가드(safeguard)로서 사용될 수 있다. 전도도가 상당히 악화된 경우에는, 냉각제를 적당히 재생할 수 있을 정도로 충분히 긴 시간 동안 재생 수지에 액체를 순화시키기 위해 연료전지를 작동하는 일 없이 유동 펌프를 스위칭시키는 것을 생각할 수 있다.The measurement of liquid electrical conductivity can be used as a safeguard to signal switching off of a fuel cell or to indicate a degraded performance of a fuel cell. If the conductivity is significantly deteriorated, it may be conceivable to switch the flow pump without operating the fuel cell to purify the liquid in the regenerative resin for a time long enough to adequately regenerate the coolant.

이온교환장치(36)는 예를 들면, 재생 수지에 의해 형성된다. 메인 케이싱(20)과 추가 케이싱(38) 사이에서의 유동은, 수지에 접촉되는 냉각제에 대한 온도를 50℃ 정도의 온도보다 높은 온도, 즉 수지에 대한 최대 작동온도에 있도록 제어된다. 유리하게는, 이것은 간단한 작동과 견고한 구조를 갖는 서모스태틱 밸브(40)이다. 그러나, 온도측정수단(30)에 의해 제어되는 솔레노이드 밸브는 본 발명의 범위에서 벗어나는 것은 아니다.The ion exchange device 36 is formed of, for example, recycled resin. The flow between the main casing 20 and the additional casing 38 is controlled such that the temperature for the coolant in contact with the resin is at a temperature higher than about 50 ° C., ie, the maximum operating temperature for the resin. Advantageously, this is a thermostatic valve 40 having a simple operation and a rigid structure. However, the solenoid valve controlled by the temperature measuring means 30 does not depart from the scope of the present invention.

구조의 소형화가 특히 중요한 본 발명에 따라는 연료전지의 실제의 전형적인 실시형태를 나타내는 도 2 내지 도 5에서는, 단부판(6.1)에 장착돤 메인 케이싱(20) 및 메인 케이싱(20)에 인접한 단부판(6.1)에 부착된 추가 케이싱(38)을 볼 수 있다. 예시한 실시예에서는, 추가 케이싱(38)은 메인 케이싱(20)보다 짧고, 그래서 메인 케이싱(20)은 추가 케이싱(38)의 길이방향 단부(longitudinal end)와 경계를 이루고 양쪽 케이싱(20, 38) 사이에 연결되며 외측에 설치되는 횡방향 연장부(lateral extension)(20.1)를 포함하는 것이 유리하다.In accordance with the present invention in which the miniaturization of the structure is particularly important, in FIGS. 2 to 5, which show practical exemplary embodiments of a fuel cell, the main casing 20 and the end adjacent to the main casing 20 mounted on the end plate 6.1. There is an additional casing 38 attached to the plate 6.1. In the illustrated embodiment, the additional casing 38 is shorter than the main casing 20, so that the main casing 20 borders the longitudinal end of the additional casing 38 and both casings 20, 38. It is advantageous to include a lateral extension 20.1 which is connected between and is installed outside.

수소를 공급하기 위한 회로의 일부(8.1)와 공기를 공급하기 위한 회로의 일부(10.1)는 메인 케이싱(20)에 평행하게 설치되어 있다. 이 일부들의 각각은 수소와 공기 각각에 대해 화살표 40, 42로 표시된 길이방향 단부에 의해 제공되고 단부판(6.2)의 가장자리에 연결되는 파이프(44, 46)에 의해 셀들 출구측에 연결되어 있으며, 이 셀들과의 연결은 단부판을 통하여 이루어진다.A part (8.1) of the circuit for supplying hydrogen and a part (10.1) of the circuit for supplying air are provided in parallel to the main casing (20). Each of these parts is connected to the outlets of the cells by pipes 44 and 46 provided by the longitudinal ends, indicated by arrows 40 and 42 for hydrogen and air, respectively, and connected to the edges of the end plates 6.2. The connections with these cells are made through the end plates.

또는, 파이프(44, 46)는 제거될 수 있으며, 수소를 공급하기 위한 회로의 일부(8.1)와 셀들 사이 및 공기를 공급하기 위한 회로의 일부(10.1)와 셀들 사이의 연결은 메인 케이싱(20)의 바닥부에서 판(6.1)을 통하여 직접 이루어질 수 있다.Alternatively, the pipes 44 and 46 may be removed, and the connection between the cells and part of the circuit for supplying hydrogen (8.1) and between the cells and part of the circuit for supplying air (0.1) to the main casing 20 It can be made directly through the plate (6.1) at the bottom of the).

제2 단부판(6.2)은 각각 수소와 공기 출구(48, 50)를 포함한다.The second end plate 6.2 comprises hydrogen and air outlets 48, 50, respectively.

수소 출구(48)는 재순환 회로(29)에 연결되어 있다.The hydrogen outlet 48 is connected to the recycle circuit 29.

메인 케이싱(20)은 온도가 제어되는 연장부(20.2)에 위치된 2방 밸브(40)를 통해 재생장치(36)에 연결되어 있고, 제어 온도는 재생 수지에 의해 견딜 수 있는 최대 온도, 즉 약 50℃이다. 바람직하게는, 2방 밸브(40)는 서모스태틱 밸브이다. 밸브(40)는, 냉각제 온도가 50℃보다 낮은 경우에 메인 탱크와 재생장치(36) 사이의 연통을 보장하고 냉각제 온도가 50℃를 초과하는 경우에 그것을 차단한다.The main casing 20 is connected to the regeneration device 36 via a two-way valve 40 located in an extension 20.2 where the temperature is controlled, the control temperature being the maximum temperature that can be tolerated by the regeneration resin, i.e. About 50 ° C. Preferably, the two-way valve 40 is a thermostatic valve. The valve 40 ensures communication between the main tank and the regeneration device 36 when the coolant temperature is lower than 50 ° C and shuts off when the coolant temperature exceeds 50 ° C.

메인 케이싱은 3방 밸브의 "저온 냉각제(cold coolant)" 출구에 의해 추가 케이싱(38)에 연결되는 것이 더 유리하다. 그래서, 이 케이싱(38)은 서브회로(16.2)의 일부를 형성한다.The main casing is more advantageously connected to the further casing 38 by the “cold coolant” outlet of the three-way valve. Thus, this casing 38 forms part of the subcircuit 16.2.

열관리시스템과의 연결을 위한 추가 케이싱의 연결부(22)는 추가 케이싱(38)의 측면(side face)(38.1)에 위치된다.The connection 22 of the additional casing for connection with the thermal management system is located at the side face 38.1 of the additional casing 38.

서브회로(16.1, 16.2)와의 연결을 위한, 메인 케이싱(20)의 3방 서모스태틱 밸브(18)가 구비된 연결부(54)는 연장부(20.1)에 위치되어 있다.A connection 54 with a three-way thermostatic valve 18 of the main casing 20, for connection with the subcircuits 16.1 and 16.2, is located in the extension 20.1.

이하, 3가지의 유동 모드(flow mode)에 대하여 설명한다.Hereinafter, three flow modes will be described.

50℃보다 낮은 온도의 경우 :For temperatures lower than 50 ° C:

서모스태틱 밸브(40)가 개방된다. 냉각제는 메인 탱크로부터 재생장치로 유동되고 수지를 통과하고 나서, 재생장치로부터 추가 탱크(38)로 보내진다. 추가 탱크는 냉각제로 충전되고, 다음으로 냉각제는 탭(52)에 의해 케이싱(38)으로부터 유출되어 직접 유동 펌프로 되돌아감으로써, 열교환 서브회로(16.1)를 통과하지 않고 셀 스택에서 재순화된다. Thermostatic valve 40 is opened. The coolant flows from the main tank to the regeneration device and passes through the resin, which is then sent from the regeneration device to the additional tank 38. The additional tank is filled with coolant, which is then recirculated in the cell stack without passing through the heat exchange subcircuit 16.1 by flowing out of the casing 38 by the tab 52 and back to the flow pump directly.

50℃와 70℃ 사이의 온도의 경우:For temperatures between 50 ° C and 70 ° C:

2방 서모스태틱 밸브(40)는 폐쇄되어 냉각제가 폐쇄된 재생장치(36)를 통과하는 것을 방지한다. 3방 서모스태택 밸브는 추가 탱크(38)를 향하여 개방되어, 냉각제는 추가 케이싱(38)에 가득 채워져서 탭(52)으로부터 이동되어 유동 펌프로 직접 되돌아감으로써 서브회로(16.1)의 열교환기를 통과하지 않고 셀 스택에서 재순화된다. The two-way thermostatic valve 40 is closed to prevent the coolant from passing through the closed regenerator 36. The three-way thermostatic valve opens towards the additional tank 38, so that the coolant is filled in the additional casing 38 and moved out of the tab 52 and directly back to the flow pump to exchange the heat exchanger of the subcircuit 16.1. It is recycled in the cell stack without passing through it.

70℃보다 높은 온도의 경우:For temperatures above 70 ° C:

3방 서모스태틱 밸브(18)는 서브회로(16.1)에 이어지는 탭(54)을 향하여 부분적으로 또는 완전히 개방되어, 냉각제는 서브회로(16.1)로부터 유출되고 열교환기(17)를 통하여 냉각제의 냉각을 보장한다.The three-way thermostatic valve 18 is partially or fully open towards the tab 54 leading to the subcircuit 16.1 such that the coolant flows out of the subcircuit 16.1 and cools the coolant through the heat exchanger 17. To ensure.

매우 유리하게는, 이 연결 구조(connection architecture)는 오직 서브회로(16.2)를 향한 단일 탭(52)을 사용할 뿐이다. 그래서, 연료전지의 제조가 간소화되고 누설 위험이 감소된다.Very advantageously, this connection architecture only uses a single tap 52 towards the subcircuit 16.2. Thus, the production of fuel cells is simplified and the risk of leakage is reduced.

케이싱(20, 38)은 단부판(6.1)을 압압할 수 있는 바닥부를 포함할 수 있다. 또는, 단부판은 케이싱(20, 38) 중 어느 한쪽 또는 양쪽의 바닥부를 형성한다. 그래서, 예를 들면 평탄 가스켓(flat gasket) 또는 Ｏ링에 의해 단부판(6.1)과 케이싱의 측벽들 사이에 기밀성(tightness)이 이루어진다. The casings 20, 38 may comprise bottoms capable of pressing the end plates 6. 1. Alternatively, the end plates form bottom portions of either or both of the casings 20 and 38. Thus, tightness is achieved between the end plate 6. 1 and the side walls of the casing, for example by a flat gasket or o-ring.

메인 케이싱(20)과 추가 케이싱(38)은 일체로 형성될 수 있다.The main casing 20 and the additional casing 38 may be integrally formed.

이하, 수소 유량이 60Nm3/h이고 공기 유량이 300Nm3/h인 경우에 도 3 내지 도 5에 나타낸 바와 같이 전력 90kw를 갖는 연료전지의 전형적인 사이징(sizing)을 예시에 의해 제공한다.Will now be provided by the hydrogen flow rate was 60Nm 3 / h is illustrative of typical sizing (sizing) of a fuel cell with a power 90kw as the air flow rate is shown in 300Nm 3 / h in case 3 to 5 in.

연료전지의 폭(W)은 630mm이다(도 5).The width W of the fuel cell is 630 mm (Fig. 5).

케이싱의 높이(h)는 200mm이고 케이싱의 깊이(d)는 420mm이다(도 4). 연료전지의 전체 높이는 600mm 정도이다.The height h of the casing is 200 mm and the depth d of the casing is 420 mm (FIG. 4). The overall height of the fuel cell is about 600 mm.

비교해 보면, 최근 기술의 연료전지 시스템은, 전체 높이가 960mm이고 깊이가 600mm이며 폭이 710mm이다.In comparison, fuel cell systems of the state of the art have a total height of 960 mm, a depth of 600 mm and a width of 710 mm.

이와 같이, 전체 공간의 높은 감소가 본 발명에 의해 관측될 수 있다.As such, a high reduction of the overall space can be observed by the present invention.

본 발명에 의해, 매우 높은 공간 이득(volume gain)이 가습 기능을 100리터 정도로 제공하고 가온(warming) 기능을 10리터 정도로 보장하는 현저한 이득을 제공하는 것이 달성된다.By the present invention, it is achieved that a very high volume gain provides a remarkable gain that provides a humidification function on the order of 100 liters and a warming function on the order of 10 liters.

또한, 파이프의 수와 공간이 감소되므로, 연료전지의 별도 부재들에 대한 접근성(accessibility)이 용이해진다.In addition, the number and space of pipes is reduced, thereby facilitating accessibility to separate members of the fuel cell.

이하, 본 발명에 따른 연료전지 작동에 대하여 설명한다.Hereinafter, operation of the fuel cell according to the present invention will be described.

연료전지가 시동될 때에, 냉각제는 차가워져서 수소와 공기를 가온할 수 없다. 저온 시동 가열수단(cold start heating means)은 예를 들면, 온도가 5℃보다 낮을 때에 시동된다.When the fuel cell is started, the coolant becomes cold and cannot heat hydrogen and air. Cold start heating means are started, for example, when the temperature is lower than 5 ° C.

가온된, 가능한 한 가습된 수소와 가온 및 가습된 공기가 셀들에 주입된다. 동시에, 냉각제는 또한 가온되어 스택으로 유동된다. 각 셀 내에서 전기화학반응이 일어난다.Warm, possibly humidified hydrogen and warmed and humidified air are injected into the cells. At the same time, the coolant is also warmed and flows into the stack. Electrochemical reactions occur in each cell.

냉각제는 셀들에 의해 방출된 열을 추출한다. 냉각제가 수소와 공기를 가온할 정도로 충분히 뜨거우면, 저온 가온 수단(cold warming means)은 스위치 오프된다. 가온시간은 연료전지 시스템에 의해 제공되는 전기전력에 따라 수분 정도이다. 이 가온시간은, 회로들이 짧고 이에 따라 가온될 체적이 낮아지면 더욱 더 빨라진다.The coolant extracts the heat released by the cells. If the coolant is hot enough to warm hydrogen and air, the cold warming means is switched off. The warming time is a few minutes depending on the electrical power provided by the fuel cell system. This warming time is even faster as the circuits are shorter and thus the volume to be warmed is lowered.

셀들에서 유출되는 수소는 회로에 재주입된다.Hydrogen exiting the cells is reinjected into the circuit.

냉각제는 그 온도가 50℃보다 낮기만 하면, 재생장치(36)와 추가 탱크(38)를 통해 내부회로(14)의 입구로 직접 복귀된다.The coolant is returned directly to the inlet of the internal circuit 14 via the regeneration device 36 and the additional tank 38 as long as the temperature is lower than 50 ° C.

온도가 50℃∼70℃ 사이이면, 냉각제는 재생장치(36)를 통과하지 않고 추가 탱크(38)를 통하여 내부회로(14)의 입구로 직접 복귀된다.If the temperature is between 50 ° C. and 70 ° C., the coolant is returned directly to the inlet of the internal circuit 14 through the additional tank 38 without passing through the regeneration device 36.

냉각제 온도가 70℃를 초과하면, 3방 서모스태틱 밸브(18)가 반응하여 냉각제의 온도를 감소시키기 위해 열교환기가 구비된 추가 탱크(38)를 통과하는 일 없이 냉각제를 외부 서브회로(16.1)로 안내하도록 그 형태를 변화시킨다. 이와 같이 냉각된 냉각제는 내부회로(14)의 입구측에 재주입된다.If the coolant temperature exceeds 70 ° C., the three-way thermostatic valve 18 reacts and passes the coolant to the external subcircuit 16.1 without passing through an additional tank 38 equipped with a heat exchanger to reduce the coolant temperature. Change its shape to guide. The coolant thus cooled is reinjected to the inlet side of the internal circuit 14.

서모스태틱 밸브를 사용하면, 냉각제 온도에 따른 냉각제 유동의 자율적인 관리가 가능하게 된다.The use of thermostatic valves enables autonomous management of coolant flow in response to coolant temperature.

또한, 그 전기전도도를 측정하여 그 전기전도도가 일정한 임계값을 초과할 때에, 액체 온도가 50℃이면 냉각제는 재생장치(36)로 안내되고 나서 열교환회로로 재주입된다. 다른 방법으로는, 전도도 측정은, 연료전지가 열화된 조건(degraded condition)하에서 작동되는지를 결정하여 시스템을 스위치 오프할 지의 여부에 대하여 선택을 한다. In addition, when the electrical conductivity is measured and the electrical conductivity exceeds a predetermined threshold, if the liquid temperature is 50 ° C, the coolant is guided to the regeneration device 36 and then re-injected into the heat exchange circuit. Alternatively, the conductivity measurement determines whether the fuel cell is operating under degraded conditions and makes a choice as to whether to switch off the system.

본 발명에 따른 연료전지는 구동 전기모터에 전원공급을 위한 전원으로서, 예를 들면 자동차와 같은 차량탑재형(on-board) 분야 또는 예를 들면 캠페인, 군사 작전과 같이 이동형 전원을 찾는 분야에 특히 적합하다.The fuel cell according to the present invention is a power source for supplying power to a driving electric motor, for example, in an on-board field such as an automobile or in a field of searching for a mobile power source such as a campaign or military operation. Suitable.

Claims (19)

전기화학셀들의 스택(2)과 전기화학셀들에 압축 스트레인(tightening strain)을 가하는 제1 및 제2 단부판(end plate)(6.1, 6.2), 스택(2) 내부로 냉각제를 유동시키기 위한 회로(14)와 스택 외부로 냉각제를 유동시키기 위한 회로(16)에 의해 형성되는 열관리시스템(12), 셀들에 연료 가스를 공급하기 위한 회로(8)와 셀들에 산화 가스(10)를 공급하기 위한 회로(10), 셀들에 연료 가스와 산화 가스를 주입하기 전에 연료 가스와 산화 가스를 가열하기 위한 수단 및 셀들에 산화 가스를 주입하기 전에 산화 가스를 가습하기 위한 수단을 포함하는 연료전지로서, 상기 연료전지는 제1 단부판(6.1)에 장착되고, 상기 스택으로 냉각제를 유동시키기 위한 내부회로(14)의 하류에 밀폐 공간(tight volume)(V)을 형성하고, 냉각제를 유동시키기 위한 내부회로(14)가 밀폐 공간(V)으로 이어져 있는, 소위 메인 케이싱을 포함하고, 상기 공간은 스택으로부터 유출되는 냉각제로 적어도 부분적으로 충전되도록 구성되고, 산화 가스와 연료 가스를 공급하기 위한 회로는 밀폐 공간을 통과하여 열을 냉각제와 교환하기 위해 냉각제에 침지되도록 구성되고, 냉각제에 침지되도록 구성된 산화 가스를 공급하기 위한 회로의 적어도 일부는 산화 가스를 가습하기 위해 냉각제 중에 포함된 물이 산화 가스를 공급하기 위한 회로의 외부로부터 상기 회로의 내부로 이동되게 할 수 있는 연료전지.Stack 2 of electrochemical cells and first and second end plates 6.1, 6.2 for applying a tensioning strain to the electrochemical cells, for flowing coolant into the stack 2 The thermal management system 12 formed by the circuit 14 and the circuit 16 for flowing coolant out of the stack, the circuit 8 for supplying fuel gas to the cells and the supply of oxidizing gas 10 to the cells. 12. A fuel cell comprising a circuit 10 therein, means for heating fuel gas and oxidizing gas before injecting fuel gas and oxidizing gas into the cells, and means for humidifying the oxidizing gas before injecting oxidizing gas into the cells, The fuel cell is mounted to the first end plate 6.1, forms a tight volume V downstream of the internal circuit 14 for flowing coolant into the stack, and an interior for flowing coolant. The circuit 14 leads to the enclosed space (V) Includes a so-called main casing, the space configured to be at least partially filled with a coolant flowing out of the stack, the circuit for supplying oxidizing gas and fuel gas passing through a confined space to exchange heat with the coolant Wherein at least a portion of the circuit for supplying the oxidizing gas configured to be immersed in the coolant is moved from the outside of the circuit for supplying the oxidizing gas to water contained in the coolant to humidify the oxidizing gas. Fuel cell that can be made. 제1항에 있어서,
산화 가스를 공급하기 위한 회로(10.1)는 물이 통과될 수 있도록 양성자 전도성 이오노머(proton conductor ionomer) 부분, 예를 들면 Nafion®를 포함하는 연료전지.The method of claim 1,
A circuit (10.1) for supplying oxidizing gas comprises a portion of a proton conductor ionomer such as Nafion ® to allow water to pass through. 제1항 또는 제2항에 있어서,
냉각제에 침지되도록 구성된 연료 가스를 공급하기 위한 회로(8.1)의 적어도 일부는 뛰어난 열전도도를 발휘하는 재료, 예를 들면 스테인레스강으로 이루어져 있는 연료전지.3. The method according to claim 1 or 2,
At least a part of the circuit (8.1) for supplying fuel gas configured to be immersed in a coolant is made of a material exhibiting excellent thermal conductivity, for example a fuel cell made of stainless steel. 제3항에 있어서,
연료 가스를 공급하기 위한 회로(8.1)는 물이 통과될 수 있도록 양성자 전도성 이오노머 부분, 예를 들면 Nafion®를 포함하는 연료전지.The method of claim 3,
A circuit (8.1) for supplying fuel gas comprises a proton conductive ionomer portion, for example Nafion ® , to allow water to pass through. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
냉각제에 침지되도록 구성된 연료 가스와 산화 가스를 공급하기 위한 회로의 일부(8.1, 101)은 냉각제와의 교환을 향상시키기 위해 병렬로 연결된 튜브 다발(tube bundle)을 포함하는 연료전지.5. The method according to any one of claims 1 to 4,
And a portion (8.1, 101) of the circuit for supplying the fuel gas and the oxidizing gas configured to be immersed in the coolant comprises a tube bundle connected in parallel to improve exchange with the coolant. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
밀폐 공간(V)은 확장 용기(expansion vessel)를 제공하기 위해 부분적으로 충전되도록 구성된 연료전지.The method according to any one of claims 1 to 5,
Confined space (V) is a fuel cell configured to be partially filled to provide an expansion vessel (expansion vessel). 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
냉각제의 전기전도도를 감소시키기 위한 수단(36)을 포함하는 연료전지.7. The method according to any one of claims 1 to 6,
Means for reducing the electrical conductivity of the coolant (36). 제7항에 있어서,
메인 케이싱(20)의 부근에서 상기 제1 단부판(6.1)에 장착되는 추가 케이싱(38)을 포함하고, 전기전도도를 감소시키기 위한 수단(36)이 구비되어 있고, 전기전도도를 감소시키기 위한 수단(36)은 냉각제가 전기전도도를 감소시키기 위한 수단(36)으로 유동되게 할 수 있도록 내부 공간(inner volume)에 연결되어 있는 연료전지.8. The method of claim 7,
A means 36 for reducing the conductivity, comprising an additional casing 38 mounted to the first end plate 6.1 in the vicinity of the main casing 20, and for reducing the conductivity. 36 is a fuel cell connected to an inner volume to allow coolant to flow to the means 36 for reducing electrical conductivity. 제8항에 있어서,
전기전도도를 감소시키기 위한 수단(36)은 수지를 재생함으로써 형성되고, 냉각제 온도에 따라 메인 케이싱과 재생 수지 사이에서의 냉각제의 유동을 제어하는 밸브(40)를 포함하며, 밸브(40)는 약 50℃보다 높은 온도인 경우의 연통(communication)을 차단하며, 상기 밸브(40)는 유리하게는 서모스태틱 밸브인 연료전지.9. The method of claim 8,
Means 36 for reducing electrical conductivity are formed by regenerating the resin, and include a valve 40 that controls the flow of coolant between the main casing and the regenerated resin in accordance with the coolant temperature, the valve 40 being approximately Blocking communication when the temperature is higher than 50 ° C, the valve 40 is advantageously a thermostatic valve. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
예를 들면 전기저항기(electrical resistor)에 의해 형성되어, 메인 케이싱에 제공되는 냉각제를 가열하기 위한 수단(31)을 포함하는 연료전지.10. The method according to any one of claims 1 to 9,
A fuel cell, for example formed by an electrical resistor, comprising means for heating a coolant provided to a main casing. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
외부회로(16)는 열교환기가 구비된 제1 서브회로(sub-circuit)(16.1) 및 내부회로(14)의 입구에 직접 연결되는 제2 서브회로(16.2), 내부회로(14)의 출구에서 상기 냉각제의 온도에 따라 제1 및 제2 서브회로(16.1, 16.2) 중 어느 한쪽 또는 양쪽에서의 냉각제의 유동을 제어하기 위한 장치(18)를 포함하는 연료전지.11. The method according to any one of claims 1 to 10,
The external circuit 16 is connected to the first sub-circuit 16.1 equipped with the heat exchanger and the second sub-circuit 16.2 directly connected to the inlet of the internal circuit 14, at the outlet of the internal circuit 14. And a device (18) for controlling the flow of coolant in either or both of the first and second subcircuits (16.1, 16.2) according to the temperature of the coolant. 제11항에 있어서,
제어장치는 3방 서모스태틱 밸브(three way thermostatic valve)인 연료전지.12. The method of claim 11,
The control unit is a fuel cell which is a three way thermostatic valve. 제11항 또는 제12항에 있어서,
상기 제어장치(18)는, 추가 케이싱(16)이 제2 서브회로(16.2)의 일부를 이루도록 메인 케이싱(20)과 추가 케이싱(16) 사이에 일체화되어 있는 연료전지.13. The method according to claim 11 or 12,
The control device (18) is integrated between the main casing (20) and the additional casing (16) such that the additional casing (16) forms part of the second subcircuit (16.2). 제13항에 있어서,
냉각제용의 2개 출구만을 포함하고, 그 하나의 출구는 제1 서브회로(16.1)를 향하여 메인 케이싱(20)의 벽에 형성되어 있고, 다른 하나의 출구는 제2 서브회로(16.2)를 향하여 추가 케이싱(38)의 벽에 형성되어 있는 연료전지.14. The method of claim 13,
Comprising only two outlets for the coolant, one outlet of which is formed on the wall of the main casing 20 towards the first subcircuit 16.1 and the other outlet towards the second subcircuit 16.2. A fuel cell formed on the wall of the additional casing 38. 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,
메인 케이싱(20)은 냉각제의 온도를 측정하기 위한 수단(30) 및/또는 냉각제의 전기전도도를 측정하기 위한 수단(34) 및/또는 밀폐 공간의 냉각제 충전 레벨(filling level)을 조정하기 위한 수단(32)을 포함하는 연료전지.15. The method according to any one of claims 1 to 14,
The main casing 20 comprises means 30 for measuring the temperature of the coolant and / or means 34 for measuring the electrical conductivity of the coolant and / or means for adjusting the coolant filling level in the enclosed space. A fuel cell comprising (32). 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서,
메인 케이싱(20)은 상부 영역에, 캡(cap)에 의해 밀봉되는 충전포트(filling port)(34), 유리하게는 벤트(vent)(26) 및/또는 압력 릴리프 밸브(28)를 포함하는 연료전지.16. The method according to any one of claims 1 to 15,
The main casing 20 comprises in its upper region a filling port 34, advantageously a vent 26 and / or a pressure relief valve 28 which is sealed by a cap. Fuel cell. 제1항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서,
셀들에 대한 제1 단부판의 측면(side face)과 연료 가스 공급 및 산화 가스 공급은 연료 가스 공급회로 및 산화 가스 공급회로 사이의 파이프(44, 46)에 의해 제1 단부판(6.1, 6.2)을 통하여 이루어지는 연료전지.17. The method according to any one of claims 1 to 16,
The side face of the first end plate to the cells and the fuel gas supply and the oxidizing gas supply are connected to the first end plates 6.1 and 6.2 by pipes 44 and 46 between the fuel gas supply circuit and the oxidizing gas supply circuit. Fuel cell made through. 제1항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서,
냉각제는 탈이온수인 연료전지.18. The method according to any one of claims 1 to 17,
Coolant is deionized water fuel cell. 제1항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서,
연료전지는 양성자 교환막 형태로 이루어져 있고, 연료 가스는 수소이며 산화 가스는 산소인 연료전지.19. The method according to any one of claims 1 to 18,
The fuel cell is in the form of a proton exchange membrane, and the fuel gas is hydrogen and the oxidizing gas is oxygen.
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